FhG startet Forschungsprojekt Zuverlässige Umrichter für die Energiewende

IGBT-Modul eines Umrichters einer Windenergieanlage.
IGBT-Modul eines Umrichters einer Windenergieanlage.

Die Zuverlässigkeit und Robustheit von Umrichtern zur dezentralen elektrischen Energiewandlung erheblich zu steigern ist das Ziel des »power4re«-Forschungsprojekts.

Dazu arbeiten fünf Institute der Fraunhofer-Gesellschaft unter Leitung des Fraunhofer-Instituts für Windenergiesysteme IWES gemeinsam mit Industrievertretern dran, die Zuverlässigkeit und Robustheit von Wechselrichtern in Photovoltaik-Anlagen und Frequenzumrichtern in Windenergieanlagen zu steigern.

Umrichter sind in der Energiewende von zentraler Bedeutung. Allerdings sind sie besonders herausfordernden Betriebs- und Umgebungsbedingungen ausgesetzt. Sie zählen seit Jahren zu den am häufigsten ausfallenden Anlagenkomponenten und verursachen oft beträchtliche Kosten. An langlebigen, sehr zuverlässigen und gegenüber Umwelteinflüssen unempfindlichen Umrichtern besteht somit ein dringender Bedarf, denn sie besitzen als unverzichtbare Technologiebausteine der Energiewende ein hohes wirtschaftliches Potenzial.

Deshalb besteht das Ziel des dreijährigen Projekts darin, die Zuverlässigkeit und Robustheit von Umrichtern zur dezentralen elektrischen Energiewandlung erheblich zu steigert werden kann. Im Fokus stehen dabei anwendungsspezifische Schwachstellen, die aus umfassenden Felddaten- und Schadensanalysen ermittelt werden und deren – oft durch die Kombination von klimatischer und elektrischer Belastung bewirkte – Ausfallmechanismen im Rahmen des Projektes noch detaillierter zu erforschen sind. Neben hardwareseitigen Modifikationen und Schutzkonzepten widmet sich das Projekt zudem geeigneten Testverfahren, um sie unter anwendungstypischen Bedingungen bewerten zu können.

Institutsübergreifende Allianzen

Ein wichtiger Aspekt ist dabei der Ausbau der längerfristigen Allianzen zwischen Fraunhofer-Instituten. Insgesamt beteiligen sich fünf Fraunhofer-Institute am power4re-Projekt: das Fraunhofer-Institut für Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie IISB, das Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS, das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE, das Fraunhofer-Institut für Windenergiesysteme IWES (Projektleitung) und das Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM. Zudem begleitet ein Beraterkreis das Projekt power4re, in dem die Unternehmen ConverterTec (ehemals Woodward Kempen), SMA Solar Technology AG und Mitsubishi Electric R&D Centre Europe vertreten sind. Seitens der Fraunhofer-Gesellschaft wird das Projekt durch Frau Dr. Vera Gramich aus der Abteilung Interne Forschungsprogramme begleitet.

Das power4re Projekt wird im Rahmen des internen Forschungsprogramms PREPARE der Fraunhofer-Gesellschaft mit Mitteln in Höhe von insgesamt 3,5 Mio. Euro gefördert.

»Mit power4re treiben wir in Kooperation mit unseren Projektpartnern eine sozialverträgliche Energiewende weiter voran, denn die Erhöhung der Zuverlässigkeit von Windenergie- und PV-Anlagen ist wichtig, um die Gestehungskosten regenerativ erzeugten Stroms weiter zu senken. Unser umfassendes und langjähriges Systemverständnis von Umrichtern können wir hier kompetent einbringen«, sagt Prof. Jan Wenske, stellvertretender Institutsleiter und Technischer Direktor am Fraunhofer IWES.

»Wir erschließen neue Methoden zur felddatenbasierten Ausfallursachenanalyse und arbeiten an einer Zustandsüberwachung, die auf die relevanten Ausfallmechanismen fokussiert ist. Wir erhoffen uns von der institutsübergreifenden Zusammenarbeit neue wichtige Erkenntnisse, beispielsweise aus dem Abgleich mit PV-Anwendungen«, fügt Dr. Katharina Fischer, Projektleiterin und Senior Scientist am Fraunhofer IWES, hinzu.

Die Umrichter mit höherer Zuverlässigkeit beschränken sich nicht nur auf den Einsatz in Windenergie- und Photovoltaikanwendungen, sondern können potenziell auch auf andere Bereiche wie Bahn, Avionik und Elektromobilität übertragen werden, in denen Umrichter ebenfalls rauen Umweltbedingungen ausgesetzt sind.